基于压电陶瓷的锡膏三维检测投影光栅移相设计

刘金生，余义斌，罗兵



基于压电陶瓷的锡膏三维检测投影光栅移相设计

刘金生，余义斌，罗兵

（五邑大学 信息工程学院，广东 江门 529020）

锡膏三维检测仪控制光栅移相的压电陶瓷存在的非线性、迟滞和蠕变效应，使传统方法测定的控制电压误差较大. 采用基于图像灰度匹配的方法对压电陶瓷的控制电压值进行测定校正，提高了移相控制的精度和速度，仿真实例验证了方法的有效性.

压电陶瓷；锡膏检测；三维测量；相位测量轮廓术；机器视觉

锡膏的印刷质量将直接影响数字印刷电路板元器件的焊接质量，因此对表面贴片安装技术生产线的锡膏印刷缺陷进行检测可以降低最终产品的缺陷率、提高电子产品的质量. 目前，国外已经开发了锡膏三维自动检测设备，但价格昂贵. 我国现有的基于激光三角法的锡膏检测设备存在速度慢、精度低、无法在线实时检测等问题，为此对基于光栅投影相位测量轮廓术的锡膏检测技术进行了研究. 本文研究了基于光栅投影相位测量轮廓术的锡膏三维检测仪的硬件系统结构、投影光栅移相装置的设计. 由于光栅移相装置中压电陶瓷存在非线性、迟滞、蠕变效应，会导致移相测定不准确，本文采用基于图像灰度的方法对压电陶瓷的电压值进行较正，以提高系统的测量精度和速度.

1 锡膏检测硬件系统

系统的硬件结构主要包括图像采集部分和光栅投影部分，光栅投影与图像采集相机之间有一个固定的夹角. 图像采集部分包括计算机、图像采集卡、CCD相机、镜头、偏振片；光栅投影部分包括LED光源、聚光透镜、物理光栅、压电陶瓷、远心镜头，锡膏检测原理参见文献[1-2].

光栅投影系统的主要作用是投射出亮度呈正弦变化的光源到锡膏表面. 工作流程：LED点光源经过聚光透镜变成一束平行光，再通过正弦物理光栅（用压电陶瓷移动物理光栅以改变其初始相位）调制成亮度成正弦变化的光源，最后由远心镜头投射到锡膏上. 远心镜头的作用是确保最终投射到锡膏表面上的光源亮度呈正弦变化.

1.1 LED光源

LED光源广泛应用于生活照明和工业照明，其选型需要考虑亮度、对比度、均匀性等要素. 当光源不够亮时，会导致图像的对比度不够[3]，拍摄的锡膏图像噪声大；不均匀的光源会使摄像头视野范围内部分区域的光比其他区域多，从而造成物体表面反射不均匀. 在设计光源系统时，采用5 W的大功率LED灯珠（适用电流范围为0～750 mA），通过电源适配器调节电流以控制其亮度. 在灯珠的顶部，安装LED散热模块，防止LED灯因长时间工作被烧坏. 在灯珠的前端是聚光透镜，可使点光源变成一束平行光.

1.2 正弦光栅

光栅是能等宽等间隔地分割入射光的、具有空间周期性结构的光学元件[4]. 本文所用的正弦光栅，是一块刻有大量平行等宽等距狭缝的、透射率为正弦函数的平面玻璃，其线数量为5线/毫米，即（线宽）一个周期是200 μm. 理论上，光栅线数量越多锡膏检测精度越高，然而，光栅线数量越多，其制作也会越困难，且很难保证光栅的精度.

1.3 压电陶瓷微位移控制器

压电陶瓷具有控制精度高、响应速度快、位移分辨率高、输出力大等优点[5]，在光栅投影系统中，压电陶瓷可以作为移相装置，以纳米级精度来控制正弦光栅的移相.

图1 压电陶瓷

本设计采用压电陶瓷作为移相装置来控制光栅的移动. 如图1所示，压电陶瓷的位移行程可达250 μm，分辨率为5 nm，光栅的周期为200 μm. 在其中间放置正弦光栅，可实现沿光栅周期方向作一维微纳米的微小移动.

1.4 移相控制与图像采集软件的集成

锡膏检测硬件系统的目的是采集光栅投影到锡膏上的图像，可分为2个步骤：压电陶瓷对光栅进行移相、相机拍摄图像. 为了方便完成图像采集工作，用计算机作为上位机对压电陶瓷、相机进行控制，在Delphi软件环境下，完成了对压电陶瓷、相机的软件集成工作.

编程时，先对串口进行初始化，成功后通过串口线分别将50 μm、100 μm、150 μm、200 μm位移所需的电压值命令发送到驱动电源，由驱动电源直接驱动压电陶瓷进行移位. 由于压电陶瓷的蠕变特性，需要延时100 ms再拍摄图像.

2 基于灰度图像的压电陶瓷定位精度校正

2.1 压电陶瓷微定位实验

迟滞、非线性、蠕变效应等将最终影响压电陶瓷的走位精度，给后续锡膏的三维重建带来困难，故在压电陶瓷定位精度校正实验中，需得到更准确的与固定位移对应的电压值，以保证压电陶瓷的走位精度.

由公式

先对测微仪测得的初始电压值进行走位，拍摄图像后选取其中第500行沿移相方向的100个像素点作为对比像素点，微调电压直到图像灰度差较小为止. 表1为这100个像素点在走位前后图像上的灰度差的均值、标准差. 图2为其中40个像素点在用测微仪测得的控制电压值控制走位前后的灰度曲线对比图，图3为基于图像灰度匹配的方法微调电压值后拍摄走位前后图像灰度曲线对比图. 图2、3中红、蓝曲线分别为走位前后的图像灰度.

表1 对100个像素点采样计算数据

从图2可以看出，正弦光栅投在白纸上的图像灰度也是呈正弦变化的，但两条曲线的重合性不是很好，即两幅图像中同一像素点的灰度值相差较大（平均相差20个灰度）. 如图3所示，经过微调压电陶瓷固定位移的电压值后，两条曲线具有很好的重合性，两幅图中的图像灰度值很接近（平均灰度差为2），即压电陶瓷的走位达到了所期望的行程.

图2 未校正前的图像灰度对比图

图3 校正后的图像灰度对比图

2.2 锡膏三维重建实验

3 结论

较传统的激光三角法，基于光栅投影相位测量轮廓术所设计的锡膏三维检测系统，由于采用物理光栅作为面结构投影光源，一次可以测量整幅图像，提高了测量速度，但它对移相控制和投影光学部分的精度要求较高. 针对压电陶瓷控制移相中非线性和蠕变等问题，用基于图像灰度匹配的方法对压电陶瓷的控制电压值进行较正后，大大减小了压电陶瓷控制电压不准带来的移相误差，三维重建结果准确反映了锡膏的立体信息，提高了系统的测量精度.

图4 焊膏局部灰度图像

图5 锡膏的三维重建结果

[1] 寇冠中，罗兵. 焊膏机器视觉测厚仪图像采集模块设计[J]. 五邑大学学报：自然科学版，2011, 25(1): 50-55.

[2] 周贤善，罗兵. 基于机器视觉的SMT焊膏印刷缺陷自动三维检测[J]. 计算机工程与设计，2010, 31(24): 1 5363-5366.

[3] 曾歆懿. 贴片产品机器视觉检测中的图像获取与处理[D]. 广州：广东工业大学，2007.

[4] 刘莉. 光栅应用发展现状[J]. 长沙大学学报，2009, 23(5): 23-27.

[5] 韩同鹏，李国平，沈杰. 基于压电陶瓷微位移执行器的精密定位技术研究[J]. 传感器与微系统，2010, 29(2):1 51-53.

Piezoelectric Ceramic-based Phase-shifting Design of Solder Paste 3D Detection Grating Projection

LIUJin-sheng, YUYi-bin, LUOBing

(School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

In the hardware system designing of solder paste three-dimensional testers based on grating projection phase measuring profilometry, the adoption of conventional calibration method in the control of grating phase-shifting piezoelectric nonlinearity, hysteresis and creep effect can result in great error in voltage control. The adoption of the method based on gray level image matching for piezoelectric ceramic control voltage value determination and correction can improve the control precision. Experimental results show the effectiveness of the method.

piezoelectric ceramic; solder paste inspection; 3D measurement; phase measurement profilometry; machine vision

1006-7302（2012）01-0049-04

TP216.1

A

2011-10-27

教育部广东省产学研项目（2010B090400026）；江门市科技计划项目（〔2010〕210）

刘金生（1987—），男，江西赣州人，在读硕士生，研究方向为图像处理、机器视觉应用.